滩海油田海底管道施工技术

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1、滩海油田海底管道施工技术桑运水 张克明 钱孟祥 王 涛(胜利石油管理局工程建设一公司)提 要 胜利埕岛油田地处滩海，水深0-14米，主要依靠海底管道系统输送所产原油、天然气及对地层注水。胜利油田工程建设一公司经过多年研究、探索、实践，总结出一整套适合滩海油田海底管道铺设的施工技术，为埕岛油田建成200万吨产能发挥了极为重要的作用。本文就油、水、气三种不同的输送介质，对滩海海底管道施工的关键工序：海上拖管-海上接口-立管安装的全过程和一些较为先进的施工工艺和技术进行了简介。其中，拖管技术主要介绍了针对不同管径、输送介质和水深情况，分别采用漂拖法和底拖法拖管，并对这两种方法的优缺点进行了比较；海上

2、接口介绍了利用“PIPELINE”软件，采用预设浮筒法控制海底捞管、吊放、组对过程中的应力；立管安装介绍了利用计算机辅助施工，保证了两个弯管平面组成的空间立管安装的精确性。Summary Shengli Chengdao Oilfield locates beach-shallow sea and water depth is 0-10m. Its crude oil and natural gas export and water injection mainly depend on the subsea pipeline system. By researching、exploration

3、、experience for several years, Shengli Oilfield No.1 Construction Co. Has summarized a series of pipeline installing technics available to Chengdao Oilfield and gives very important contribution to oilfields 2 million ton producing capability. The key installing technics and some other advanced art

4、of oil、gas and water injection pipeline are introduced in this paper, including pipeline towing、tie-ins and riser installation.关键词 滩海 海底管线 拖管 接口 立管安装 Key Words beach-shallow sea subsea pipeline pipeline towing tie-in riser installation1 前 言胜利埕岛油田位于山东东营滩海海域，水深014m，于1988年发现，1993年正式投入开发，目前已建成原油产能200万吨/

5、年。在开发初期，原油外输靠油轮，这种方式受生产规模和气象条件的限制较大。1994年埕岛油田开始铺设海上中心平台到各卫星平台、中心平台到陆地、各卫星平台之间的海底管线，迄今共完成输油、输气、注水等各类型海底管道70余公里，为胜利埕岛油田石油生产持续增长，起到了重要作用。2 海底管道施工工艺简介2.1 概述 埕岛油田的海底输油、输气管道的设计均为双层管保温结构，内外管之间为泡沫黄夹克保温层，外管防腐采用涂层保护和牺牲阳极保护相结合的方式；海底注水管道采用单壁管结构，外防夹克皮加牺牲阳极保护，内防采用管端胀口加内保护套涂刷塞克-54涂料的施工工艺，海底注水管道接口如图1所示。海底管线与井组平台工艺管

6、线间通过立管系统连接，海底管线的铺设采用拖管法。内保护套隔热层O型密封圈塞克-54内涂层胀管体=3mm黄夹克热收缩带图1 注水管道接口图2.2 工艺流程海底管线施工程序主要包括以下几部分：陆地预制、发送入海、拖管就位、立管安装、工艺连通、试压试运、挖沟埋管、竣工投产。本文主要介绍海底管线的海上拖管、海上接口和立管安装过程。 3 拖管3.1 概述海底管线的铺设方法主要有两种：一种是拖管法，一种是铺管船法，其中铺管船法是采用较为广泛的施工方法，但铺管船法多用于外海作业，而埕岛油田海域水深为014m，为滩海油田，特别是近岸海域，水深小于2 m，铺管船无法进入，我们最终选择了拖管法。 拖管法的原理就是

7、在陆地上将管子连成需要的管段长度，发送下水，拖运至预定位置就位。较长的管线需要分段拖运，海上连接管段间水平口。3.2 拖管方法 拖管方法主要有漂浮法和底拖法，对于水深小于2m近岸水域处的登陆管线，因拖轮无法进入，采用漂浮法结合陆地牵引法拖管。漂浮法就是通过在管道上绑扎一定数量的浮桶，使管道在水中处于漂浮状态，用牵引拖轮拖至铺设地点的施工方法，其优点是所需牵引力较小，管线轨迹较直观；缺点是受水面波、涌和海流的影响较大，就位轨迹不易控制。底拖法就是大部分管道在水中处于与海床接触的状态，用拖轮拖管的方法，其优点是受波、涌等的影响较小，就位轨迹易控制，而且在突遇恶劣气候条件时，可以弃管，沉放于拖航路线

8、上，待气象好时继续拖；缺点是海床给予管道较大摩擦力，所需牵引力较大。为了减少管道与海床间的摩擦力，底拖法也需绑扎浮桶。陆地牵引法就是用漂浮缆将登陆管线管头与设在陆地上的牵引设备相连，在管尾和管段中部用辅助船只控制管线的轴向轨迹，将管线牵引至陆地的拖管方法。在埕岛油田海管的拖管中，海底输油、气管道设计为双层管结构，强度高，一般拖运长度为1000m，采用易于管段定位的底拖法进行海上拖航；海底注水管道因设计为单层管结构，强度、抗风浪能力较低，也采用底拖法拖航；500m以下的短管线和近岸管线拖管大都采用漂浮拖法。拖航示意图如图2所示。拖轮浮筒#拖航方向牵引头 图2 海底管线拖航示意图3.3 拖管计算及

9、受力分析埕岛油田自开发以来，目前共施工了50条输油管线，总计58km；9条注水管线，总计8km;一条输气管线，总计10km。以下简介拖管施工计算和受力分析。1浮桶配置 漂浮法浮桶配置数量=L F1/F2式中：L-拖管长度F1-单位长度管线在海水中所受浮力F2-单个浮桶有效浮力 底拖法浮桶配置数量可略少于漂浮法。2拖管段长度确定确定拖管长度首先要考虑使管道前进给予管道的拖力不能超过钢材的许用应力，理论上对于底拖法极限拖管长度可按下式计算。LCR=ANBP 式中：LCR-管道的极限拖管长度 A-外管截面积 -管道许用应力 NBP-管道单位长度负浮力 -摩擦系数，取1.2 因管线过长，拖轮无法控制管

10、线的就位轨迹，所以拖管长度以不大于1km为宜。3正常拖航条件下的应力分析浮筒尾拖轮l首拖轮轮L管道拖运时的受力状态可以简化为如下图所示模型。L：海底管线牵引长度 l:浮筒间距图3 管道漂浮拖运示意图根据以上模型采用 “PIPELINE” 软件计算校核漂浮法和底拖法拖管时管道的最大应力。4. 管道就位时的最小转弯半径管道拖运过程或就位时，拖轮的转向会带动管线产生弯曲，管道允许最小转弯半径按下式计算：Rmin=ED/（2） 式中：E-钢材弹性模量GPa D-管道外径m-管道许用应力N/cm25拖航牵引力计算管道拖航主要受水阻力和海床摩擦力。 海床的摩擦力F泥=NBPL 取0.6 海水的阻力F水=C

11、SWR2/2式中：摩擦系数 C=0.075/（logRe-2）2 雷诺数 Re=WRD/v S水中拖浮物表面积 WR水与管道间的相对速度，考虑到最不利情况下管道逆流拖运时阻力最大WR =1+2=3m/s 管道拖航牵引力F拖=F泥+F水3.4 浮桶绑扎 具体方法如下述： 1沿管线测量，将浮桶用棕绳绑扎于管体之上，每个浮桶绑扎棕绳6道，棕绳选用直径12mm规格，单股破断力1166kg，能够可靠地固定浮桶。2在每个浮筒上设一组滑刀解桶装置，用于管线就位时解脱浮筒。其工作原理是：在浮筒侧面焊接一截钢管，作为滑刀滑行的轨道，钢管开槽，露出滑刀刃并使滑刀能沿钢管轴向自由滑动，钢管两端设滑刀限位装置。用钢丝

12、绳将每个浮筒上的滑刀连接起来，解桶时，打开滑刀限位装置，用拖轮沿海底管线轴向拽拉钢丝绳，滑刀沿滑刀轨道滑动至滑刀限位装置，割断绑筒棕绳，解脱浮筒。滑刀解桶装置结构如图4 所示。滑刀导轨卡A向滑刀限位装置解桶滑刀滑刀导轨卡A-A滑刀限位装置图4 滑刀解桶装置结构图 3每相邻10个浮桶用钢丝绳连成一组，目的是在海上解桶后便于成组回收。3.5 管线拖航就位采用拖轮拖航。 1拖航准备：管线拖航前应收听天气预报、掌握海面上实际浪涌情况，制订出拖航计划，并巡线清理航道，准备好拖航船舶。 2拖航过程（1） 主拖轮沿计划拖管线路拖航，拖管速度控制不小于4节。并根据管线设计路由的GPS点坐标及时调整拖航路线，护

13、航拖轮跟随主拖轮前进。（2） 管道拖至设计位置后主拖轮抛锚，在平流期，尾拖轮牵引尾缆并由护航拖轮在管段中部辅助调管，将管线调至设计路由。（3） 对于水深小于2m近岸水域处的登陆管线，在拖管前，先从陆地送80漂浮缆至近岸水深2m处，当主拖轮拖管线至水深2m处时，解拖，将漂浮缆与拖运管段管首相连，从陆地上由卷扬机平稳匀速向前牵引管线，尾拖轮轴向拉拽管尾，将管线调至设计路由。3管线解桶就位首尾拖轮保持将管线拉伸的状态，解桶作业船从管线一端捞起解桶钢丝绳，沿海底管线轴向拽拉钢丝绳，带动焊接于浮筒上的滑刀槽内的滑刀沿滑刀轨道滑动，割断绑筒棕绳，解脱浮筒，约10-15分钟，全部浮桶同管线分离浮出水面，管道

14、准确就位于海床，完成拖管就位作业。4 海上接口对于较长的管线，分段拖管就位后，需进行海上接口连通。由于海底管道海上接口时，工程船捞管、调管、吊放过程的应力状态较复杂，挠度过大会产生严重塑性变形甚至折断，所以拖管就位时，在所拖管段首尾应预留一定数量的浮桶来调整捞管、调管、吊放过程中的应力状态。4.1 吊点位置、浮桶数量的确定保证接口时管段受力状态良好的关键控制因素有两个：1吊点的位置及数量；2. 预设浮桶的位置及数量。利用“PIPELINE”程序计算，来确定吊点位置、浮桶数量。4.2 工程船的基本技术要求1至少4个吊点，如图5所示T1、T2、T3、T4，吊点布置合理，能自如控制起吊高度，以保证两

15、管段吊起后管端水平，满足对口精度的要求。 2良好的稳性，以保证海上接口时易于对口，对口完毕后将管段缓慢下放，不能急吊急放。3具有良好的锚泊系统，以防止走锚损伤已铺海底管道和电缆，要求工程船至少抛出6个钢缆锚，锚缆长300m-600m。海上接口如图5所示：#H2H1#T1L1L2T2T3T4图5 海上接口示意图4.3 接口步骤1水深大于2m水域管线接口（1）用工程船把待接口的相邻两管段端部吊起、放下至少三次，以消除残余应力。然后吊到计算高度，测出管段端部多余部分，并做好记号。（2）割掉管段端部多余的长度，将内管对口焊接，接口处进行探伤、防腐层的补口、补伤。（3）将套管用两半瓦对口连接，完成接口处

16、的焊接、探伤，最后进行防腐层的补口、补伤。（4）把接好口的管道放回水中。（5）对于注水管线，捞管测量切割后，先把胀头焊接到管段两端，装入内保护套，用两半瓦对口连接，完成接口处的焊接、探伤，最后进行防腐层的补口、补伤。2水深小于2m水域管线接口（1） 我们用改装的对口船进行水深小于2m近岸水域处的登陆管线的水平口连接。对口船布置及接口示意图如图6所示。 （2） 接口时，对口船就位于水平口处，使带抱杆的侧舷平行且贴近海管，此时，插入抗滑桩，使驳船固定，利用舷边4个抱杆挂上滑轮组，通过卷扬机将管线吊出水面，固定在舷侧，收放卷扬机调整管线起吊高度，使两管搭接处在水面上呈水平状态，其余对口焊接程序与深水

17、区相同。 （3） 管线接口施工完成后，吊起管道的抱杆电动葫芦放松管线，管线放至海底，完成对水平口作业。5立管安装 海上立管是连接海底管线与海上采油平台上部工艺的“桥梁”，海上立管安装是海底管线施工的关键环节，由于海底管线的立管是一个由立管底部弯管和水平膨胀弯管组成的三维空间结构（以下简称空间立管），其结构模型见图7，现场预制及吊装较为困难，如何保证空间立管与水平管连接后顺利进入立管卡，难度较大。 h 第一平面 第一焊接点 第二平面 Z Y X 图7 空间立管结构图 以往在进行立管吊装时，由于吊点、吊力计算难度较大，施工人员仅凭经验进行吊点以及吊缆长度的设置，造成空间立管不易进入管卡。 为使海上

18、预制的立管与实际的立管空间结构（以下简称空间立管）相一致，我们根据海上施工的实际情况，开发出一套利用计算机指导海上立管预制及吊装的软件，操作简便、快捷，大大加快了立管安装的精确性。5.1 软件介绍该软件由两个子模块组成，即“ROT”模块和“3DR”模块。“ROT”模块用于计算两平面结构在第一焊接点处，绕立管底部水平管的旋转角度。“3DR”模块用于计算已连成整体的空间立管起吊前的重心及当立管水平管与海平面成一定夹角起吊后新的重心和此时各吊缆的长度、吊缆上的张力。5.2 立管施工步骤1如结构模型所示，分两段预制空间立管，两段各为一个平面结构。先将这两个平面结构按实际的弯头夹角分别预制好。2利用计算

19、机执行“ROT”模块，计算出第一焊接点处绕立管底部水平管的旋转角度。3将两平面结构在第一焊接点处，绕立管底部水平管旋转角度，焊接成与实际的空间立管相一致的空间结构。两弯管间直管段的长度根据现场实测水平管段与安装立管卡的导管架腿或立管桩的距离来确定。 4利用计算机执行“3DR”模块，计算出该空间立管的水平管与吊出海面待连接的水平管段相平时吊缆的长度以及吊缆上的张力。5根据计算出的吊缆张力、吊缆长度选用合适的吊缆并控制吊缆长度，将空间立管吊起，第一次放入立管卡。6将待连接的水平管段多次吊、放以消除残余应力，然后放入海底并调整方位，使之与空间立管的水平管相齐，由潜水员水下探摸对水平管段多余部分做出标记。 7吊起水平管段，割除多余部分，并吊起空间立管与水平管段相平。 8接口步骤同海上管段间的接口步骤。 9. 将已与水平管段连接完毕的空间立管第二次放入管卡并上紧螺栓固定,完成立管施工作业.6 结束语 伴随着胜利埕岛油田的逐步发展壮大，滩海海底管道施工技术经过几年来的探索和不断改进提高，已较为科学完善。实践证明，这项技术是适应滩海和极浅海域海底管道施工的，它不但填补了我国滩海海底管线铺设技术的空白，而且为胜利埕岛油田的增油上产发挥了重要作用。